Медиатека

Что общего между мозгом осьминога и человека?

Головоногие моллюски, цефалоподы, отличаются развитым «интеллектом»: они обладают памятью, способны к обучению, могут решать простые логические задачи и, вероятно, имеют сознание 1, 2. Уникальные для беспозвоночных когнитивные способности и очевидные морфологические отличия цефалопод от интеллектуально развитых позвоночных подтолкнули ученых к предположению о наличии общих молекулярно-генетических механизмов развития сложноорганизованной нервной системы у неродственных когнитивно-прогрессивных видов.

Авторы исследования, опубликованного в Science Advances, обнаружили в нервной ткани головоногих моллюсков уникальные микроРНК, которые образуются с помощью нетипичного для большинства беспозвоночных механизма посттрансляционной модификации – редактирования РНК по типу A-to-I (замена аденина на инозин с помощью РНК-зависимых аденозиндезаминаз) 3, 4. Учитывая, что остальные характеристики генома (интронные последовательности, кодирующие элементы, частота альтернативного сплайсинга, полиаденилирование, процессы деградации мРНК) у кальмара и осьминога, эволюционно разделившихся более 300 млн лет назад, практически не отличаются от таковых у других беспозвоночных, именно с данным механизмом ученые и связали столь «успешную» эволюцию нервной системы цефалопод 3, 5.

Рис. 1. (A) Схема анатомического расположения анализируемых тканей. (B) Основные структуры мозга осьминога. (C) Методы секвенирования, используемые в исследовании 3.

Благодаря использованию методов секвенирования FLAM-seq и Iso-Seq, чувствительных к коротким и длинным молекулярным фрагментам соответственно, ученые проанализировали посттрансляционные модификации микроРНК в образцах 18 типов тканей осьминогов. Ключевыми индикаторами роли микроРНК в регуляции нейрогенеза оказались повышение частоты сплайсинга в структурах нервной системы и увеличение длины главных мишеней микроРНК – 3’-нетранслируемых областей.

Учёным удалось проанализировать микроРНК не только благодаря инновационным методам секвенирования, но также благодаря грамотной подготовке образцов. Пробоподготовка – важный этап исследования, для которого необходимо использовать надёжное оборудование и качественные наборы. Большой популярностью среди учёных пользуется продукция компании MGI – поставщика услуг по секвенированию и производителя полногеномных NGS-секвенаторов. MGI предлагает наборы для широкого спектра задач. Например, создания РНК-библиотек (MGIEasy RNA Library Prep Set) и подготовки направленных РНК-библиотек (MGIEasy RNA Directional Library Prep Set).

Примечательно, что у одного из видов осьминогов было обнаружено 90 новых семейств микроРНК: 12 из них были общими с моллюском Nautilus и кальмаром-бобтейл Euprymna scolopes, 43 – с другим видом осьминога и кальмаром, а 35 оказались уникальными для Octopus. Наконец, как и ожидалось, пик экспрессии новых микроРНК приходился на поздние стадии эмбрионального развития (до 45% транскриптома микроРНК) и был в 13 раз выше в нервных структурах по сравнению с другими тканями. Механизм редактирования РНК по типу A-to-I был открыт в 1987 году. Считается, что именно он играет ключевую роль в обеспечении молекулярной пластичности и адаптации организма к меняющимся условиям как на микро, так и на макроуровне 6. Ученые полагают, что способность к «перекодированию» генома и протеома может быть тем самым «общим звеном», определяющим строение и функциональные особенности мозга цефалопод и позвоночных, в том числе людей.


Литература

1. Carls-Diamante S. Where Is It Like to Be an Octopus? Frontiers in Systems Neuroscience, 2022.

2. Richter J.N. et al. Pull or Push? Octopuses Solve a Puzzle Problem. PLoS ONE, 2016.

3. Grygoriy Z. et al. MicroRNAs are deeply linked to the emergence of the complex octopus brain. Science Advances, 2022. 

4. Ключникова А.А., Мошковский С.А. Природное редактирование РНК с заменой аденозина на инозин может участвовать в патогенезе болезней человека. Вестник РГМУ, 2019.

5. Tanner A.R. et al. Molecular clocks indicate turnover and diversification of modern coleoid cephalopods during the Mesozoic Marine Revolution. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 2017. 

6. Liscovitch-Brauer N. et al. Trade-off between Transcriptome Plasticity and Genome Evolution in Cephalopods. Cell, 2017.